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borofeno

Figura 1: Estructuras cristalinas probables de borofenos obtenidos experimentalmente: (a) β 12 borofeno (también conocido como hoja γ o hoja υ 1/6 ), (b) χ 3 borofeno (también conocido como hoja υ 1/5 )

El borofeno es una monocapa atómica cristalina de boro , es decir, es un alótropo bidimensional del boro y también se conoce como lámina de boro . Predichas por primera vez por la teoría a mediados de la década de 1990, [1] diferentes estructuras de borofeno se confirmaron experimentalmente en 2015. [2] [3]

Propiedades

Experimentalmente se sintetizaron varios borofenos metálicos, cristalinos y atómicamente delgados sobre superficies metálicas limpias en condiciones de vacío ultraalto. [2] [3] Su estructura atómica consta de motivos mixtos triangulares y hexagonales, como se muestra en la Figura 1. La estructura atómica es una consecuencia de una interacción entre enlaces en el plano de dos centros y multicentros, que es típico de Elementos deficientes en electrones como el boro. [4]

Los borofenos exhiben elasticidad en el plano y resistencia ideal. Puede ser más fuerte que el grafeno y más flexible en algunas configuraciones. [5] Los nanotubos de boro también son más rígidos que el grafeno, con un módulo de Young 2D más alto que cualquier otra nanoestructura conocida de carbono y no carbono. [6] Dado que teóricamente se predice que el borofeno tendrá estructuras electrónicas metálicas y que el boro es más liviano que la mayoría de los elementos, se espera que el borofeno sea el metal 2D más liviano experimentalmente realizable. [7] Como ocurre con la mayoría de los materiales 2D, se espera que el borofeno tenga propiedades anisotrópicas . En términos de propiedades mecánicas, se predice teóricamente que el borofeno v 1/6 (donde la fracción denota la densidad del hexágono hueco) tendrá un módulo en el plano de hasta 210 N/m, y una relación de Poisson de hasta 0,17. [8] Además, se predice que el módulo será relativamente invariante con respecto a la fase, ya que v varía de 1/5 a 1/9. [8] Este es un punto particularmente destacado porque los borofenos experimentan una nueva transición de fase estructural bajo cargas de tracción en el plano en lugar de fracturarse debido a la naturaleza fluxional de su enlace multicéntrico en el plano. [8] También se predice que el borofeno v 1/6 tendrá una rigidez a la flexión fuera del plano de 0,39 eV, más pequeña que cualquier material 2D reportado. [8] La relación entre el módulo y la rigidez (también conocido como número de Foppl-von Karman por unidad de área) que caracteriza efectivamente la flexibilidad de un material es de alrededor de 570 nm −2 para la fase v 1/6 . Estas propiedades predichas están parcialmente respaldadas por trabajos experimentales, en los que se sintetizó v 1/6 de borofeno sobre un sustrato de Ag(111) reconstruido en superficie. [9] En lugar de crecer como láminas planas de borofeno como se esperaba para los sustratos planos de Ag(111), el borofeno adoptó una configuración ondulada siguiendo de cerca las filas sobresalientes que surgen de la superficie reconstruida del sustrato de Ag(111). [9] La electrónica flexible ideal requiere la capacidad de tensionarse, comprimirse e incluso retorcerse en una amplia gama de geometrías; sin embargo, la mayoría de los materiales 2D reportados hasta la fecha no pueden cumplir con todos estos criterios ya que son rígidos contra la deformación en el plano. [9] El borofeno ondulado es un material prometedor para la electrónica flexible, ya que los materiales 2D ondulados adheridos a sustratos elastoméricos deberían seguir siendo fáciles de doblar y permitir grandes deformaciones en el plano. [9] Las propiedades mecánicas del borofeno ondulado se estudiaron utilizandocálculos de primeros principios y se encontró que tenían valores similares para las propiedades mecánicas antes mencionadas. [9] Comparando estos valores con el grafeno , el material 2D prototípico, el módulo y la rigidez a la flexión del borofeno son menores, mientras que la relación de Poisson es similar. [8] En particular, el número de Foppl-von Karman para la fase v 1/6 es más del doble que el del grafeno, lo que indica que los borofenos son capas atómicas flexibles. [8] Por lo tanto, los borofenos pueden tener aplicaciones como elementos de refuerzo para compuestos y en interconexiones electrónicas flexibles, electrodos y pantallas. [7] [8]

El borofeno también tiene potencial como material anódico para baterías debido a sus altas capacidades teóricas específicas, conductividad electrónica y propiedades de transporte de iones. El hidrógeno se adsorbe fácilmente en borofeno y ofrece potencial para almacenarlo: más del 15% de su peso. El borofeno puede catalizar la descomposición del hidrógeno molecular en iones de hidrógeno y reducir el agua. [5]

Historia

Figura 2: A B
36el grupo podría verse como el borofeno más pequeño; vista frontal y lateral

Los estudios computacionales de I. Boustani y A. Quandt demostraron que los pequeños grupos de boro no adoptan geometrías icosaédricas como los boranos , sino que resultan ser cuasiplanares (ver Figura 2). [1] Esto llevó al descubrimiento del llamado principio de Aufbau [10] que predice la posibilidad de borofeno (láminas de boro), [1] fullerenos de boro ( boroesfera ) [11] y nanotubos de boro. [12] [13] [14]

Estudios adicionales demostraron que el borofeno triangular extendido (Figura 1 (c)) es metálico y adopta una geometría curvada y no plana. [15] [16] Otros estudios computacionales, iniciados por la predicción de un fullereno de boro B 80 estable, [17] sugirieron que las láminas de borofeno extendidas con estructura de panal y con agujeros hexagonales parcialmente llenos son estables. [18] [19] Se predijo que estas estructuras de borofeno serían metálicas. La llamada lámina γ (también conocida como β 12 borofeno o lámina υ 1/6 ) se muestra en la Figura 1 (a). [19]

La planaridad de los cúmulos de boro fue confirmada experimentalmente por primera vez por el equipo de investigación de L.-S. Wang . [20] Posteriormente demostraron que la estructura de B
36(ver Figura 2) es el grupo de boro más pequeño que tiene simetría séxtuple y una vacancia hexagonal perfecta, y que puede servir como base potencial para láminas de boro bidimensionales extendidas. [21]

Después de la síntesis de siliceno , varios grupos predijeron que el borofeno podría obtenerse potencialmente con el soporte de una superficie metálica. [22] [23] [24] En particular, se demostró que la estructura reticular del borofeno depende de la superficie del metal, mostrando una desconexión con respecto a la del estado independiente. [25]

En 2015, dos equipos de investigación lograron sintetizar diferentes fases de borofeno en superficies de plata (111) en condiciones de vacío ultraalto. [2] [3] Entre las tres fases de borofeno sintetizadas (ver Figura 1), una teoría anterior demostró que la hoja v 1/6 , o β 12 , era el estado fundamental en la superficie de Ag(111), [25 ] mientras que el borofeno χ 3 fue predicho previamente por el equipo de Zeng en 2012. [26] Hasta ahora, los borofenos existen solo en sustratos; Es necesario saber cómo transferirlos a un sustrato compatible con el dispositivo, pero sigue siendo un desafío. [27]

Síntesis

La epitaxia de haz molecular es el método principal para el crecimiento de borofeno de alta calidad. El alto punto de fusión del boro y el crecimiento de borofenos a temperaturas moderadas plantearon un desafío importante para la síntesis de borofenos. Utilizando la pirólisis de diborano (B2H6) como fuente de boro puro, un grupo de investigadores informó por primera vez del crecimiento de láminas de borofeno de espesor atómico mediante deposición química de vapor (CVD) . [28] Las capas de CVD-borofeno muestran un espesor promedio de 4,2 Å, estructura cristalina χ3 y conductividad metálica. [28]

La caracterización a escala atómica, respaldada por cálculos teóricos, reveló estructuras que recuerdan a grupos de boro fusionados que consisten en motivos mixtos triangulares y hexagonales, como lo predijo previamente la teoría y se muestra en la Figura 1. La espectroscopia de barrido de túneles confirmó que los borofenos son metálicos. Esto contrasta con los alótropos de boro en masa , que son semiconductores y están marcados por una estructura atómica basada en icosaedros B 12 . [ cita necesaria ]

En 2021, los investigadores anunciaron borofeno hidrogenado sobre un sustrato de plata, denominado borofano. Se afirmó que el nuevo material era mucho más estable que su componente. [29] La hidrogenación reduce las tasas de oxidación en más de dos órdenes de magnitud después de la exposición ambiental. [30]

Borfeno multicapa

La evidencia experimental que respalda la formación de láminas de borofeno bicapa y tricapa apiladas se observó por primera vez en capas de borofeno cultivadas mediante CVD. [28] Poco después, en agosto de 2021 se anunció la creación de borofeno de dos capas. [31]

Ver también

Referencias

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enlaces externos

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